cs

Polovodičové baterie nahradí lithium-iontové baterie. Proč je potřebujeme

13.02.2022

Lithium-iontové baterie jsou všudypřítomné, ale pomalu přestávají vyhovovat dnešním standardům. Proto inženýři již dlouho sní o vytvoření článků, které budou účinnější a budou mít delší životnost - lepší ve všech ohledech. Mohly by to být polovodičové baterie, které by znamenaly doslova revoluci ve všech oblastech života, které známe, ale hlavně v dopravě.

Současné lithium-iontové baterie a inovativní polovodičové baterie se ve své podstatě mírně liší, píše portál ScienceDirect. Struktura chemické buňky je v podstatě stejná. V obou případech máme katodu, anodu a elektrolyt. V lithium-iontové baterii jsou dvě různé směsi kapalného elektrolytu odděleny tzv. separátorem. V pevnolátkových bateriích se místo kapalného elektrolytu používá pevný elektrolyt, který již funguje jako separátor.

Stávající lithium-iontové baterie jsou náchylné k selhání v důsledku bobtnání způsobeného změnami teploty nebo úniku elektrolytu. Polovodičové články se zdají být mnohem bezpečnější, a to díky pevnému elektrolytu jsou stabilnější a zachovávají si výkon i v případě poškození elektrolytu. Polovodičové baterie nepředstavují žádné riziko výbuchu nebo požáru, takže není třeba přidávat bezpečnostní komponenty, což znamená úsporu místa.

Foto: BruceEmmerling

Lithium-iontové baterie tvoří 95-99 % baterií používaných v dopravních prostředcích. Jejich výrobní procesy byly v posledním desetiletí zefektivněny, což výrazně snížilo náklady. Odborníci odhadují, že pokud se hustota energie lithium-iontových baterií v příštím desetiletí zdvojnásobí, bude taková Tesla Model S schopna ujet nikoli 500, ale 1000 km. Pokud by se naopak objem baterií snížil na polovinu, výrobní náklady na Teslu by se mohly snížit až o 50 %, protože k dosažení stejného výkonu bude potřeba méně baterií, které tvoří většinu ceny vozidla. U vozů Tesla Model 3 nebo Hyundai Kona EV by se dojezd mohl zdvojnásobit a cena snížit o 25-50 %. To znamená, že více lidí si bude moci dovolit koupit elektromobil.

Lithium-iontové baterie nejsou dokonalé. Používají elektrolyt, jehož hlavní složkou je etylénkarbonát. Je navržen tak, aby byl stabilní v katodě i anodě. Uhličitan ethylenu je však hořlavý, což vyvolává vážné obavy z požárů baterií. Zdokonalování lithium-iontových baterií pro dopravu má i další technické problémy, včetně nákladů, hustoty energie (objemové i hmotnostní), rychlosti nabíjení a životnosti.

Výroba lithium-iontových článků také zatěžuje světové zdroje kobaltu, přičemž 55 % světových zásob kobaltu pochází z Demokratické republiky Kongo. V důsledku rostoucí poptávky po kobaltu a jeho omezených zdrojů bude cena tohoto prvku stoupat. Z tohoto důvodu se zdá být zřejmé, že se zaměříme na další typy článků, které by mohly být užitečné, zejména v elektrických dopravních prostředcích.

Spoluvynálezce lithium-iontové baterie a nositel Nobelovy ceny za rok 2019 John Bannister Goodenough společně s Marií Helenou Bragovou představili v roce 2017 koncept levné baterie založené na skleněném elektrolytu, která je nehořlavá, má dlouhou životnost, vysokou hustotu energie a rychlé nabíjení, informuje portál RevistaEnergia. Mluvíme o polovodičové baterii, která by mohla způsobit revoluci v mnoha oblastech našeho života.

Polovodičová baterie má potenciál odstranit všechny nedostatky lithium-iontových baterií. Skleněné polovodičové baterie mohou mít třikrát větší hustotu energie než lithium-iontové články, protože používají anodu z alkalického kovu (lithium, sodík nebo draslík). Výzkum potvrdil, že pevný (skleněný) elektrolyt je nehořlavý a odolný proti samovznícení. Tato vlastnost také snižuje riziko tepelného úniku, protože umožňuje těsnější balení článků. Dále bylo zjištěno, že skleněné elektrolyty mohou pracovat a udržovat vysokou vodivost při nízkých teplotách až do -20 stupňů Celsia, což řeší hlavní nevýhodu standardních baterií pro elektromobily.

Výše uvedené výhody by mohly vést k širokému využití baterií v dopravě. Polovodičové baterie by mohly mít největší dopad na těžkou silniční a lodní dopravu. Nejdříve se můžeme těšit na trajekty a lodě pro krátké vzdálenosti a teprve později na hybridní řešení v hlubinné lodní dopravě. Polovodičové baterie se časem mohou dostat i do letadel, zejména do bezpilotních letounů, čímž se jejich účinnost ještě zvýší a prodlouží se jejich dolet. Z toho by mohla těžit armáda, ale také komerční segment.

Na éru polovodičových baterií si bohužel budeme muset ještě počkat. Stávající technologie není na dostatečné úrovni, aby bylo možné uvažovat o komercializaci. Stále existuje mnoho otazníků týkajících se výrobních nákladů a škálovatelnosti. Někteří odborníci předpovídají, že v počáteční fázi vývoje bude polovodičová technologie drahá - do roku 2026 bude stát kolem 400 USD/kWh. To by mohlo bránit rozšíření polovodičových baterií a brzdit potenciální revoluci.

Podle Energy Transition Outlook 2021 bude v roce 2032 až polovina všech nově prodaných osobních vozidel poháněna elektřinou. Potenciální pokrok ve výrobě polovodičových baterií tato čísla jistě zvýší.

Zdroj: sciencedirect.com, revistaenergia.com